Organização Básica de computadores e linguagem de montagem

Organização Básica de computadores e linguagem de

montagem

1o Semestre de 2012

Prof. Edson Borin

Introdução à arquitetura ARM

ARM •  Originalmente:

-  Acorn RISC Machines

-  Concebido originalmente para PCs

•  Atualmente

-  ARM: Advanced RISC Machines

-  Largamente utilizado em sistemas embarcados

-  Arquitetura simples com implementação pequena => baixo consumo de energia.

ARM •  É uma família de processadores RISC

•  Várias arquiteturas: ARMv1, ARMv2, ... ARMv6, ARMv7-A, ARMv7-R, ARMv7-M. •  Com múltiplas extensões:

•  T: Thumb •  E: Enhanced DSP Instructions •  M: Long Multiply (32 x 32 => 64) •  J: Jazelle

•  Ex: ARMv5TEJ = ARMv5 + Thumb + Enhanced Arithmetic Support (DSPs) + Jazelle

ARM Arquitetura Implementações

ARMv7-A Cortex-A9, Cortex-A8

ARMv7-R Cortex-R4

ARMv7-M Cortex-R3, Cortex-M1

ARMv6 ARM1136JF-S, ARM1176JZF-S, ARM11 MPCore

ARMv5TE ARM926EJ-S, ARM946E-S, ARM966E-S

ARMv4T ARM7TDMI, ARM922T

ARM

•  iPad 2 tablet

• Apple A5 - Dual-core ARM Cortex-A9 - Dual-core PowerVR GPU - 1 GHz - Março de 2011

• Produzido pela Samsung

•  Ford Sync

•  Logitech Harmony remote controls

• Amazon Kindle

•  Sony Reader

ARM •  Processadores Freescale da Família i.MX - SoC - System-on-a-Chip: CPU, Video processing,

graphics processing, etc...

2010: 75% do mercado de eReaders

ARM - SoC

•  SoC (System-on-a-Chip): múltiplos componentes em um único chip.

- CPU, processador de Video, processador gráfico, etc...

Arquitetura do ARM

Arquitetura do ARM •  Diversos conjuntos de instruções:

•  Padrão: Instruções de 32 bits

•  Thumb: instruções compactas, de 16 bits

•  Jazelle DBX: instruções para executar bytecode JAVA.

• NEON: instruções SIMD

•  VFP: Instruções para operações vetoriais em ponto flutuante.

Arquitetura do ARM • Modo padrão: Instruções possuem 32 bits.

•  Todas instruções devem estar alinhadas em 4 bytes (1 palavra).

!

.align 4!

•  PC (Program Counter) aponta apenas para endereços múltiplos de 4.

Arquitetura do ARM • Memória endereçada a bytes

•  3 tipos de dados

•  byte: 1 byte

•  halfword: 2 bytes

•  word: 4 bytes

•  Dados armazenados na memória devem estar alinhados de acordo com o tamanho do dado

Arquitetura do ARM •  Registradores (32 bits):

00000000000000000000000000000010 0 31

MSB LSB

Arquitetura do ARM •  Registradores (32 bits):

r0 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10

r11

r12

r13

r14

r15

a1 a2 a3 a4 v1 v2 v3 v4 v5 v6 sb sl fp sp lr pc

•  Apelidos (Aliases)

•  R13/SP: stack pointer

•  R14/LR: link register

•  R15/PC: program counter

Arquitetura do ARM • Arquitetura Load/Store: Os valores

tem que ser carregados nos registradores antes de realizar operações.

• Não há instruções que operam diretamente em valores na memória!

LDR R0, [R1] ; R0 <= Mem[R1]!

ADD R5, R0, R0 ; R5 <= R0+R0!

STR R5, [R3] ; Mem[R3] <= R5!

Exemplo

LDR R0, [R1]!

ADD R5, R0, R0 !

STR R5, [R3]!

!

Valor!0! 06!1! 00!2! 00!3! 00!4! 00!5! 00!6! 00!7! 00!...! ...!

Memória

!

R1=0!

R3=4!

Instruções do ARM • Operações Lógicas

•  AND R1, R2, R3!•  ORR R1, R2, R3!•  EOR R1, R2, R3!•  BIC R1, R2, R3!!

<operation> Rd, Rn, <Operand2>!

Exemplo de <Operand2>: constante de 8 bits ou registrador!


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1o Semestre de 2012

Prof. Edson Borin

Instruções do ARM •  Referências

•  ARM Assembly Language – Fundamentals and Techniques. William Hohl. CRC Press

•  ARM Architecture Reference Manual. ARM DDI 0100E.

Instruções do ARM • Operações Lógicas

•  AND R1, R2, R3!•  ORR R1, R2, R3!•  EOR R1, R2, R3!•  BIC R1, R2, R3!!

<MNE> Rd, Rn, <Op2>!

Exemplo de <Op2>: constante de 8 bits ou registrador!

Instruções do ARM • Operações Aritméticas

•  ADD R1, R2, R3!•  SUB R1, R2, R3!•  RSB R1, R2, R3!

Instruções do ARM • Operações Aritméticas com Carry

•  ADC R1, R2, R3 // R1=R2+R3+Carry!

•  SBC R1, R2, R3!•  RSC R1, R2, R3!

• O que é carry?

•  Carry in = “vem um”

•  Carry out = “vai um”

•  A Carry é uma flag (um único bit) que representa tanto o carry in como o carry out.

Instruções do ARM •  Exemplo: Operações de 64 bits. Pares R1:R0 e

R3:R2. Resultado em R5:R4

ADDS R4, R0, R2!

ADC R5, R1, R3!

•  Análogo para SBC e RSC:!SUBS R4, R0, R2!

SBC R5, R1, R3!

!

<MNE>{S} Rd, Rn, <Op2>!

!

Instruções do ARM •  Formato das instruções lógicas e aritméticas

<MNE> Rd, Rn, <Op2>!

Rd e Rn são registradores

<Op2> pode ser:

•  Rm!•  #imediato!•  Rm, {LSL|LSR|ASR|ROR} {#imediato|Rs}!•  Rm, RRX!

Instruções do ARM • Op2 = Rm

•  Exemplos:

!AND R1, R2, R3!

!ADD R2, R2, R0!

!SUB R5, R3, R5!

Instruções do ARM • Op2 = #imediato.

•  Apenas números que podem ser formado a partir da rotação de constantes de 8 bits. A rotação deve ser um número par. Exemplos:

!AND R1, R2, #16!

!SUB R2, R2, #0xFF00!

!ORR R5, R3, #0b00101100!

•  Imediatos inválidos: # 0x101, 0x102 e #0xFF04!

Instruções do ARM •  Op2 = Rm, {LSL|LSR|ASR|ROR} {#imediato|Rs}

•  Registrador e parâmetro de deslocamento de bits. Exemplos:

!AND R1, R2, R3, LSL #16!

!ADD R2, R2, R2, ROR #2!

!ORR R5, R3, R0, LSR R2 !!

!EOR R5, R3, R0, ASR R1!

!BIC R5, R3, R0, LSR R2 !!

!!

Instruções do ARM •  Op2 = Rm, RRX

•  Exemplos:

!AND R1, R2, R3, RRX!

!AND R2, R2, R2, RRX!

!!

Instruções do ARM • Operações de movimentação de dados

•  MOV R1, R2!•  MVN R3, R4!

!

<operation> Rd, <Operand2>

•  Podem ser utilizadas para realizar deslocamento de bits:

•  MOV R1, R2, LSL #2!•  MVN R1, R2, LSR R3!!

Instruções do ARM •  Overflow em operações aritméticas

•  ADD R1, R2, R3!R2 = 0x10000000!

R3 = 0xF0000000!

R1 = !

Ocorre overflow nesta operação?

Instruções do ARM •  Overflow em operações aritméticas

•  ADD R1, R2, R3!R2 = 0x10000000 !

R3 = 0xF0000000!

R1 = 0x00000000!

• Ocorreu oveflow na representação sem sinal, mas não na representação com sinal.

Instruções do ARM • Outro exemplo

•  ADD R1, R2, R3!R2 = 0x16000000!

R3 = 0x70000000!

R1 = !

Ocorre overflow nesta operação?

Instruções do ARM • Outro exemplo

•  ADD R1, R2, R3!R2 = 0x16000000!

R3 = 0x70000000!

R1 = 0x86000000!

Ocorreu overflow na representação com sinal, mas não ocorreu na representação sem sinal.

Instruções do ARM •  Como sabemos se o resultado de uma

operação aritmética resultou em overflow?



• O processador armazena esta informação em duas flags: C e V

•  A flag C (Carry) indica se a operação gerou um overflow na representação sem sinal.

•  A flag V indica se a operação gerou overflow na representação com sinal.



• O processador armazena esta informação em duas flags: C e V

•  A flag C (Carry) indica se a operação gerou um overflow na representação sem sinal.

•  A flag V indica se a operação gerou overflow na representação com sinal.

•  Como fica o valor de C e V após as operações anteriores?

Instruções do ARM • O registrador CPSR

•  Current Program Status Register

•  Armazena informações sobre a execução do programa. As flags, por exemplo.

Flag N: 1 se o resultado da operação é negativo

Flag Z: 1 se o resultado da operação é zero

Flag C: 1 se houve carry-in ou carry-out

Flag V: 1 se houve overflow na representação com sinal

Programmer’s Model

ARM DDI 0100E Copyright © 1996-2000 ARM Limited. All rights reserved. A2-9

2.5 Program status registersThe current program status register (CPSR) is accessible in all processor modes. It contains condition code flags, interrupt disable bits, the current processor mode, and other status and control information. Each exception mode also has a saved program status register (SPSR), that is used to preserve the value of the CPSR when the associated exception occurs.

NoteUser mode and System mode do not have an SPSR, because they are not exception modes. All instructions which read or write the SPSR are UNPREDICTABLE when executed in User mode or System mode.

The format of the CPSR and the SPSRs is shown below.

2.5.1 The condition code flags

The N, Z, C, and V (Negative, Zero, Carry and oVerflow) bits are collectively known as the condition code flags, often referred to as flags. The condition code flags in the CPSR can be tested by most instructions to determine whether the instruction is to be executed.

The condition code flags are usually modified by:

• Execution of a comparison instruction (CMN, CMP, TEQ or TST).

• Execution of some other arithmetic, logical or move instruction, where the destination register of the instruction is not R15. Most of these instructions have both a flag-preserving and a flag-setting variant, with the latter being selected by adding an S qualifier to the instruction mnemonic. Some of these instructions only have a flag-preserving version. This is noted in the individual instruction descriptions.

In either case, the new condition code flags (after the instruction has been executed) usually mean:

N Is set to bit 31 of the result of the instruction. If this result is regarded as a two's complement signed integer, then N = 1 if the result is negative and N = 0 if it is positive or zero.

Z Is set to 1 if the result of the instruction is zero (which often indicates an equal result from a comparison), and to 0 otherwise.

C Is set in one of four ways:

• For an addition, including the comparison instruction CMN, C is set to 1 if the addition produced a carry (that is, an unsigned overflow), and to 0 otherwise.

• For a subtraction, including the comparison instruction CMP, C is set to 0 if the subtraction produced a borrow (that is, an unsigned underflow), and to 1 otherwise.

31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0

N Z C V Q DNM(RAZ) I F T M 4

M 3

M 2

M 1

M 0

Instruções do ARM • Operações aritméticas e lógicas só modificam as

flags do registrador CPSR se a instrução solicitar. Exemplos:

•  ADDS R1, R2, R3 modifica as flags, mas

•  ADD R1, R2, R3 não modifica as flags

Formato:

!<MNE>{S} Rd, Rn, <Op2>!

Instruções do ARM •  Comparação de números.

•  Como fazemos para identificar se um número é maior ou igual ao outro?



•  Por exemplo: Como fazemos para saber se o valor de R2 é maior do que R1?



•  Por exemplo: Como fazemos para saber se o valor de R2 é maior do que R1?

•  Podemos fazer uma subtração:

•  SUB R0, R2, R1 // tmp = R2 – R1

• O que acontece se R2 for maior ou igual a R1?

Instruções do ARM •  SUB R0, R2, R1 // tmp = R2 – R1

•  Se não houve overflow (V==0):

• N==0 se R2 >= R1 (Resultado positivo)

• N==1 se R2 < R1 (Resultado negativo)

•  E se houver overflow (V==1)?


•  Se não houve overflow (V==0):

• N==0 se R2 >= R1 (Resultado positivo)

• N==1 se R2 < R1 (Resultado negativo)

•  E se houver overflow (V==1)?

• N==0 se R2 < R1

• N==1 se R2 >= R1


•  R2 >= R1 se N == V!•  R2 < R1 se N != V!

•  E para números sem sinal? Como fazemos?


•  R2 >= R1 se N == V!•  R2 < R1 se N != V!

•  E para números sem sinal? Como fazemos?

•  Utilize a flag C.


•  Como fazemos para detectar se R2 == R1?

•  Z == 0

Instruções do ARM •  Instruções de Comparação

•  CMP R1, R2 // R2-R1!

•  CMN R1, R2 // R2-(-R1)!

•  TST R1, R2 // R2 AND R1!

•  TEQ R1, R2 // R2 EOR R1!

Formato:

!<MNE> Rd, <Op2>!

Nota: Não precisa do {S}

Instruções do ARM •  Já sabemos comparar números. Como utilizamos

esta informação?

Instruções do ARM •  Já sabemos comparar números. Como utilizamos

esta informação?

•  Podemos desviar o fluxo de controle

CMP R1, R2!

BEQ rotulo1 // Salta se R1==R2!

BNE rotulo2 // Salta se R1!=R2!

BLE rotulo3 // Salta se R1<=R2!

...!

Instruções do ARM •  Formato: B{cond} <endereco>!

•  cond:

Apendice C

Prefixos condicionais doARM

Prefixo Condicao Flags

EQ Igual Z = 1NE Diferente Z = 0CS/HS Carry setada/maior ou igual (sem sinal) C = 1CC/LO Carry limpa/menor (sem sinal) C = 0MI negativo N = 1PL positivo ou zero N = 0VS overflow V = 1VC no overflow V = 0HI maior (sem sinal) (C = 1) e (Z = 0)LS menor ou igual (sem sinal) (C = 0) ou (Z = 1)GE maior ou igual (com sinal) N = VLT menor (com sinal) N != VGT maior (com sinal) (Z = 0) e (N = V)LE menor ou igual (com sinal) (Z = 1) ou (N != V)AL sempre –

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Instruções do ARM Instruções de salto

•  Salto direto

!B{cond} <endereco>!

•  Salto direto com link – LR := PC + 4

!BL{cond} <endereco>!

•  Salto indireto

!BX{cond} Rn!

•  Salto indireto com link -- LR := PC + 4

!BXL{cond} Rn!

Instruções do ARM • Os prefixos condicionais podem ser utilizados

em quase todas as instruções do ARM. Exemplo:

CMP R1, R2!

ADDGE R3, R3, R1!ADDLT R3, R3, R2!

Instruções do ARM Formato das instruções:

•  Lógicas e Aritméticas: ADD, AND...

!<MNE>{cond}{S} Rd, Rn, <Op2>!

•  Transferência de dados: MOV, MVN

<MNE>{cond}{S} Rd, <Op2>!

•  Comparação: CMP, CMN, TST, TEQ

<MNE>{cond} Rn, <Op2>!

•  Salto: B, BL, BX, BXL

<MNE>cond <endereco>!

!


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1o Semestre de 2012

Prof. Edson Borin

Controle do ��Fluxo de Execução

Controle do Fluxo de Execução

Exemplo: C/C++! ...!if (x >= 10) !{! y = x;!}!...!!

•  Sentença condicional “Se-Então” (If-Then)


Exemplo: C/C++! ...!if (x >= 10) !{! y = x;!}!...!!

Exemplo: Ling. de Montagem! @ x está em r1! @ y está em r2!

x<10!



Exemplo: C/C++! ...!if (x >= 10) !{! y = x;!}!...!!

Exemplo: Ling. de Montagem! @ x está em r1! @ y está em r2! ...! CMP r1, 10! BLT pula @ salta se r1<10! MOV r2, r1!pula:! ...!

x<10!x<10!

• BLT salta para o alvo se o resultado da última comparação foi “menor que” assumindo números com sinal. Para números sem sinal use “BLO” (Veja o manual do ARM)



•  Sentença condicional “Se-Então-Senão” (If-Then-Else)

Exemplo: C/C++! ...!if (x >= 10) {! y = y + 1;!}!else {! y = x;!}!...!!




Exemplo: Ling. de Montagem! @ x está em r1! @ y está em r2!

x<10!




Exemplo: Ling. de Montagem! @ x está em r1! @ y está em r2! ...! CMP r1, 10! BLT else! ADD R2, R2, 1! B cont!else:! MOV r2, r1!cont:! ...!

x<10!

x<10!


•  Laço “enquanto” (while)

Exemplo: C/C++!! ...!i=0;!while (i < 20) !{! y = y+3;! i = i+1;!}!...!




Exemplo: Ling. de Montagem! @ i está em r1! @ y está em r2!

i>=20!




Exemplo: Ling. de Montagem! @ i está em r1! @ y está em r2! ...! MOV R1, 0 @ i=0!enquanto:! CMP R1, 20 @ se i >= 20! BGE cont @ sai do laco! ADD R2, R2, 3 @ y=y+3! ADD R1, R1, 1 @ i=i+1! B enquanto!cont:!...!

i>=20!r1>=20!


•  Laço “para” (for)

Exemplo: C/C++!! ...!for (i=0; i<10; i++) !{! y = y+2;!}!...!

i<10!


•  Laço “para” (for)

Exemplo: C/C++!! ...!for (i=0; i<10; i++) !{! y = y+2;!}!...!

Exemplo: Ling. de Montagem! @ i está em r1! @ y está em r2! ...! MOV R1, 0 @ i=0!for:! CMP R1, 10 @ se i >= 10! BGE cont @ sai do laco! ADD R2, R2, 2 @ y=y+2! ADD R1, R1, 1 @ i=i+1! B for!cont:!...!

i<10!

r1<10!


•  Laço “faça-enquanto” (do-while)

Exemplo: C/C++!! ...!i=20;!do!{! y = y+2;! i = i+1;!} while (i > 0);!...!

Exemplo: Ling. de Montagem! @ i está em r1! @ y está em r2! ...!! => Exercício!!


•  Sentenças com múltiplas condições:

Exemplo: C/C++!! ...!if ((x>=10) && (y<20))!{! x = y;!}!...!

Exemplo: Ling. de Montagem! @ x está em r1! @ y está em r2! ...! CMP R1, 10! BLT pula @ Pula se x < 10! CMP R2, 20! BGE pula @ Pula se y >= 20! MOV r1, r2 @ x = y!pula:! ...!

Exemplo

Escreva um trecho de programa que determina qual o maior valor de uma cadeia de números de 32 bits, sem sinal, cujo endereço inicial é dado em R2. Inicialmente, R3 contém o número de valores presentes na cadeia; suponha que R3 > 0. Ao final do trecho, R0 deve conter o valor máximo e R1 deve conter o endereço do valor máximo."

Exemplo

Escreva um trecho de programa para mover um bloco de palavras de memória da posição apontada por R1 para a posição apontada por R2. O tamanho do bloco (número de palavras) que deve ser movido é dado em R3."

Exemplo

Escreva um trecho de programa que verifique se uma cadeia de bytes é palíndrome (ou seja, dá o mesmo resultado quando lida da direita para a esquerda."


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1o Semestre de 2012

Prof. Edson Borin

Transferência de Dados

Instruções do ARM •  Transferência de Dados de/para um registrador

!<MNE>{cond}{tam} Rd, <endereco>!

!tam = {B|SB|H|SH}!

•  Exemplos:

!LDR R0, [R1]!

!LDRB R1, [R2]!

!STR R5, [R3] !

!STRH R5, [R9] !

•  OBS: Palavras de 32/16 bits devem estar alinhadas em 4/2 bytes

Instruções do ARM •  Modo de endereçamento Pré-indexado

<MNE>{cond}{tam} Rd, [base, deslocamento]!

•  Base é sempre um registrador: Ex: R2

•  Deslocamento pode ser:

LDR R1, [R2] @ sem deslocamento

LDR R1, [R2, #4] @ Reg. {+|-} Imediato

LDR R1, [R2, R5] @ Reg. {+|-} Reg.

LDR R1, [R2, -R5, LSL #4] @ Reg. {+|-} Reg. modif.

•  [Rn, {+|-}Rm, {LSL|LSR|ASR|ROR} {#imm}]!

Instruções do ARM •  Modo de endereçamento Pré-indexado com

Writeback

<MNE>{cond}{tam} Rd, [base, deslocamento]!!

• Após a execução da instrução, o registrador base é atualizado da seguinte forma:

!base = base + deslocamento!

•  Exemplo:

LDR R1, [R2, #4]!!

LDR R5, [R3, R4, LSL #2]!!

!

!

Instruções do ARM • O que este código faz?!

MOV R0, 0!

loop:!

!CMP R2, R3!

!BHS exit!

!LDR R1, [R2, #4]!!

!ADD R0, R0, R1!

!B loop!

exit:!

Instruções do ARM •  Modo de endereçamento Pós-indexado

<MNE>{cond}{tam} Rd, [base], deslocamento!

•  Base é sempre um registrador: Ex: R1

•  Deslocamento pode ser:

LDR R1, [R2], #4 @ Reg. {+|-} Imediato

LDR R1, [R2], R5 @ Reg. {+|-} Reg.

LDR R1, [R2], -R5, LSL #4 @ Reg. {+|-} Reg. modif.

•  [Rn], {+|-}Rm, {LSL|LSR|ASR|ROR} {#imm}!!

Instruções do ARM •  Pseudo instrução:

<MNE>{cond}{tam} Rd, <rotulo> !

•  Exemplo:

ldr r0, x!

...!

x: .word 10!


<MNE>{cond}{tam} Rd, <rotulo> !

•  Exemplo:

ldr r0, x!

...!

x: .word 10!

•  O montador gera:

ldr r0, [PC, #168]!

onde 168 é o deslocamento de PC (instrução atual) para o endereço do rótulo x.


LDR{cond}{tam} Rd, =constante!

•  Move uma constante numérica para o registrador Rd

•  O montador tenta utilizar a instrução MOV, mas se não for possível (a constante for muito grande), gera uma instrução LDR.

ldr r0, =100 gera!MOV R0, #100!

ldr r0, =1000 gera!MOV R0, #1000!

ldr r0, =1001 gera!LDR R0, [PC, #desl]!

!...!

! ! ! ! ! ! !end: 000003e9!

Instruções do ARM •  LDR carrega dados da memória para os registradores

•  STR armazena dados dos registradores na memória

•  B, H, SB, SH especificam o tamanho do dado

•  Ex: LDRSB carrega número de um byte com sinal em um registrador.

•  Endereçamento pré-indexado computa o endereço efetivo antes de realizar a transferência.

•  Endereçamento pré-indexado com writeback atualiza o valor do registrador base após a execução.

•  Endereçamento pós-indexado usa o endereço no registrador base, e atualiza o base após a execução.!

Instruções do ARM •  Transferência de múltiplos dados de/para memória

!<MNE>{cond}<modo> Rn{!}, <reglist>!

!<reglist>: lista de registradores entre colchetes

<modo>: controla como o Rn será modificado

•  IA: incrementado depois

•  DA: decrementado depois

•  IB: incrementado antes

•  DB: decrementado antes

Instruções do ARM •  Transferência de múltiplos dados de/para memória

!<MNE>{cond}<modo> Rn{!}, <reglist>

Exemplos:

•  Salvar R0, R2 e R8 na memória a partir do endereço apontado por R0

!STMIA R0!, {R0,R2,R8}!

!... @ suja r0, r2 e r8!

!LDMDB R0!, {R0,R2,R8}!

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